«Диаграмма состав – свойство»

Эти диаграммы являются ценным дополнением к диаграммам состояния сплавов: они характеризуют изменение свойств сплавов в зависимости от состава.

На рис. 9, а—г изображены диаграммы состояния компонентов А и В, изменения твердости Н и электропроводности Е.

В сплавах типа Pb—Sb (рис. 9, а) свойства изменяются прямолинейно от одного компонента к другому; в сплавах типа Сu—Ni (рис. 9, б) твердость при увеличении компонента В сначала возрастает, а затем падает, электропроводность, наоборот, вначале падает, потом возрастает. В системе сплавов с ограниченной растворимостью компонентов (рис. 9, в) свойства изменяются в соответствие с принадлежностью той или иной части диаграммы к виду а или б: сначала, пока образуется смесь твердых растворов, свойства изменяются прямолинейно, затем, когда образуется твердый раствор, прямолинейный ход изменения свойств нарушается.

Изменение свойств в сплавах — химических соединения (рис. 9, г) выражается ломаными линиями, и каждое из них может быть представлено двумя различными прямыми на двух отдельных диаграммах.

Рисунок 9 Диаграмма состояния компонентов

Помимо твердости, прочности, электропроводности диаграммы состояния дают возможность определить литейные свойства, способ­ность поддаваться обработке давлением, резанием и т. д.

Тема 1.2 Сплавы железа с углеродом

К железоуглеродистым сплавам относятся стали и чугуны. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, являются железо и углерод.

Железо может находиться в двух аллотропических формах —α и γ. Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химическое соединение. α-железо растворяет очень мало углерода (до 0,02 % при 727 °С). Твердый раствор углерода и других элементов в α -железе называется ферритом. Феррит имеет низкую твердость и прочность, γ-железо растворяет значительно боль­шее количество углерода —до 2,14 % при 1147 °С. Твердый раствор углерода и других элементов в γ-железе называется аустенитом. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при вы­соких температурах. Аустенит пластичен.

Железо с углеродом также образует химическое соединение Fe₃C, называемое цементитом, или карбидом железа. В цементите содер­жится 6,67 % С; он имеет высокую твердость, но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность.

Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кри­сталлизации в равновесных условиях получается аустенитная струк­тура, называют сталями.

Сталь —это железоуглеро­дистые сплавы с содержанием до 2,14 % С. Сплавы с содержанием более 2,14 % С, называют чугунами. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми.

Процесс, в результате которого углерод выделяется в свободном состоянии в виде графита, называют графитизацией. Графит является неметаллической фазой.

«Чугун»

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают: белый чугун, в котором весь углерод связан в цементит; серый чугун в котором весь углерод находится в свободном состо­янии в виде графита или часть углерода (большая) находится в виде графита, а часть в связанном состоянии в виде цементита; форма графита пластинчатая (рис. 10, а); высокопрочный чугун, то же, что и серый чугун, но форма графита шаровидная (рис. 10, б); ковкий чугун, то же, что и серый чугун, но форма графита хлопье­видная (рис. 10, в).

Рисунок 10 Микроструктура чугуна с различной формой графита и внешний вид графитовых включений в чугуне: а) пластинчатый графит в сером чугуне; б) шаровидный графит в высокопрочном чугуне; в) хлопьевидный графит в ковком чугуне

Серый чугун. Чугун, в котором весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита, т. е. нет цементита, и структура ферритно-графитная называют серым ферритным чугуном.

Графитизация и структура чугуна существенно зависят от химиче­ского состава и скорости охлаждения отливки.

Серые чугуны кроме железа и углерода содержат примеси крем­ния, марганца, серы и фосфора. Кремний способствует графитизации чугуна (содержание его в чугуне 0,5—4,5 %). Марганец препятствует графитизации, способствует, как говорят, отбеливанию чугуна (содер­жание 0,4—1,3'%). Серу считают вредной примесью, так как она спо­собствует отбеливанию чугуна, понижает прочностные характеристики и снижает жидкотекучесть (допускается < 0,12 %). Фосфор улучшает жидкотекучесть (при содержании до 0,8 %), но увеличивает хрупкость. Обычно для получения заданной структуры регулируют содержание углерода, кремния и марганца.

На структуру чугуна значительно влияет скорость охлаждения. Чем тоньше отливка, тем быстрее охлаждение и в меньшей степени протекает процесс графитизации. Поэтому при одном и том же химическом составе чугуна структура получается различной в зависимости от толщины отливки.

Механические свойства серого чугуна в основном определяются количеством, формой и размерами включений графита. Чем больше графита в чугуне, чем крупнее пластинки графита, тем ниже механи­ческие свойства. Для получения мелких, завихренной формы чешуек графита применяют модифицирование —добавление в жидкий чугун перед разливкой ферросилиция или силикокальция, играющих роль зародышевых центров выделения графита.

Серые чугуны маркируют буквами СЧ, затем ставят два двузнач­ных числа: первое число показывает предел прочности при растяже­нии, второе — предел прочности при изгибе. Например, марка СЧ 15-32 показывает, что, чугун имеет σ_в= 150 MПа (15 кгс/мм²) и σ_и = = 320 МПа (32 кгс/мм²).

Отливки из серого чугуна широко применяют в машиностроении: для станин металлорежущих станков, корпусов, поршневых колец, гильз автомобильных и тракторных двигателей и др.

Высокопрочные чугуны. Для получения графита в виде шаровид­ных включений в ковш с жидким чугуном вводят небольшое количество металлического магния.

Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ, затем ставят два числа: первое число показывает предел прочности при растяжении, второе —относительное удлинение; например, ВЧ 38-17; ВЧ 120-4 и др.

Чугуны с шаровидным графитом применяют для ответственных деталей, например коленчатых валов, кулачковых валиков и др.

Ковкий чугун. Этот чугун получают в результате длительного нагрева (отжига) доэвтектического белого чугуна, при котором проис­ходит распад цементита с образованием графита (хлопьевидной формы, рис.10,в). То есть процесс графитизации ( такой отжим называют графитизирующим).

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ, далее следуют цифры предела прочности при растяжении и относительного удлинения; например, КЧ 35- 10, КЧ- 63-2.